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松下將于2018年度投產(chǎn)使用新型軟磁材料“NANOMET”作定子的高效白家電用電機(jī)。此次試制的是定子直徑約70mm的小型電機(jī)，比采用普通電磁鋼板的鐵損削減了約70%(圖1)。
對(duì)定子直徑為125mm、額定輸出功率為40W的白家電用電機(jī)采用NANOMET時(shí)的鐵損和效率進(jìn)行估算得出的結(jié)果是，幾乎可以實(shí)現(xiàn)相同的損失削減效果。
兼顧高磁導(dǎo)率和高飽和磁通密度
圖1：鐵損可削減約70％
松下用東北大學(xué)開發(fā)的新磁性材料“NANOMET”作定子，試制了高效率電機(jī)(a)。與采用普通電磁鋼板時(shí)相比，鐵損削減了約70%(b)。由此將電機(jī)效率提高了6個(gè)百分點(diǎn)。并依此結(jié)果估算了直徑125mm、額定輸出功率40W的家電用電機(jī)應(yīng)用NANOMET時(shí)的鐵損和效率，得出的結(jié)果是有望實(shí)現(xiàn)同樣的損失削減效果。
NANOMET是由日本東北大學(xué)金屬材料研究所教授牧野彰宏等人的研發(fā)小組開發(fā)的。之所以能削減鐵損，是因?yàn)槠淇梢约嬗懈叽艑?dǎo)率和高飽和磁通密度。NANOMET的飽和磁通密度為1.8～1.9T，與電磁鋼板(硅鋼)不相上下，而且可實(shí)現(xiàn)比電磁鋼板高出一位數(shù)以上的磁導(dǎo)率(圖2)。
圖2：通過制成納米結(jié)晶，可兼顧高飽和磁通密度和高磁導(dǎo)率
NANOMET是將鐵濃度高的FeSiBPCu類合金熔化，以“驟冷法”使之形成非晶狀態(tài)，再加熱至400℃左右制成的。由合金中所含的磷和銅的作用，在非晶狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)粒徑數(shù)nm的鐵“芽”。加熱處理會(huì)使這種鐵芽形成納米結(jié)晶(a)，結(jié)果就可兼顧高飽和磁通密度和高磁導(dǎo)率(b)。目前已經(jīng)可以制造寬120mm的NANOMET(c)。(圖(a)和(b)由《日經(jīng)電子》根據(jù)東北大學(xué)的資料制作)
之所以能夠兼顧高磁導(dǎo)率和高飽和磁通密度，是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了可使鐵(Fe)的濃度達(dá)到90%以上的非晶合金組成，并進(jìn)而使鐵成了納米粒子。具體是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)納米結(jié)晶：首先，將鐵濃度較高的FeSiBPCu類合金在超過其熔點(diǎn)的約1200℃高溫下熔解。接著將其以“液體驟冷法”冷卻，形成非晶狀態(tài)。實(shí)際上就是將FeSiBPCu類合金在真空中熔解，并向高速旋轉(zhuǎn)的銅輥噴射。以銅輥來冷卻，形成厚度為20μ～30μm的薄帶狀非晶合金。
此時(shí)，因合金中含有的磷和銅的作用，會(huì)有粒徑在3nm以下的鐵“芽”出現(xiàn)。這種狀態(tài)稱為“異質(zhì)非晶”(Hetero Amorphous)。在異質(zhì)非晶狀態(tài)下加工成想要的形狀，然后實(shí)施400℃左右的加熱處理，使之形成納米結(jié)晶。
NANOMET不含昂貴金屬，因此估計(jì)量產(chǎn)時(shí)的成本可以控制在與以往材料差不多的水平。
還能以卷狀提供
異質(zhì)非晶狀態(tài)的FeSiBPCu類合金最初只能制成幾mm寬的薄帶。之后逐漸擴(kuò)展到了50mm、80mm，2014年6月增加到了120mm寬，實(shí)用化有了可能。并通過改變制造條件等，即便寬度達(dá)到120mm，矯頑力和飽和磁通密度等磁特性也不會(huì)劣化。
通過擴(kuò)大NANOMET的寬度，除了電機(jī)用途外，還可以用于電線桿等安裝的大型變壓器和家電用電抗器。實(shí)際上，東北大學(xué)已經(jīng)利用NANOMET試制了變壓器和電抗器(圖3)。今后準(zhǔn)備擴(kuò)大適用制品的范圍，將導(dǎo)入可制作約170mm寬卷狀材料的裝置。
圖3：還將開拓電機(jī)以外的用途
NANOMET除了電機(jī)的定子外，還可用于輸電線的桿上變壓器以及白家電用電抗器的核心材料。已經(jīng)完成試制。
松下還準(zhǔn)備將其適用于個(gè)人電腦和智能手機(jī)等數(shù)字家電用電感器。在這些用途將提供FeSiBPCu類合金的異質(zhì)非晶磁粉，而不是NANOMET注1)。
注1)利用“霧化法”制作熔解的材料。
松下以外的企業(yè)也對(duì)NANOMET給予了高度關(guān)注。牧野表示，將與五大企業(yè)合作，在2015年內(nèi)成立制造NANOMET和異質(zhì)非晶磁粉的風(fēng)險(xiǎn)公司。
